Small:氧空位与阳离子掺杂协同助力高性能OER电催化剂

为了解决电解水技术面临的两大问题,即高成本、低性能(滞后的析氢和析氧动力学),广东工业大学李运勇教授团队在电解水领域取得了一系列的研究进展(Appl. Catal. B-Environ. 2020, 265, 118555;Small, 2022, 2106012;J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 20758;J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 14234)。最近,为了降低OER反应动力学提高催化活性,该团队提出以高导电的Ti3C2Tx MXene为基底材料,通过电子调控策略,引入阳离子掺杂和氧空位原位生长制备了Rh/Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene异质结催化剂用于高效OER反应。

DFT理论计算可知,具有丰富氧空位的Rh/Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene其OER反应的速率决定步骤值最低,导电性也得以提高,表明阳离子掺杂和氧空位的协同作用能够有效提高催化剂的本征活性,活化能的计算也证明了这一结果。

图1 (a-d)示意图模型,在(e)0 V和(f)1.23 V时OER反应的每个基元步骤的吉布斯自由能,(g)无氧空位的FeOOH,含氧空位的FeOOH,Ru-FeOOH和Rh-FeOOH的DOS曲线,(h)FeOOH,FeOOH@Ti3C2Tx MXene,3%Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene和3%Rh-FeOOH@Ti3C2Tx MXene电催化剂的Ea

受益于阳离子掺杂和氧空位的协同作用,所制备的Rh/Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene催化剂在碱性介质中,10和100 mA cm-2时的过电位分别为223/306与230/326 mV,以及长达100 h的稳定性。

通过DFT理论计算和一系列的测试表征结果可知,Rh/Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene优异的OER活性来源于:(1)Rh/Ru-阳离子的引入能够使FeOOH的晶格发生扭曲,增强缺陷和氧空位从而暴露更多的活性位点;(ii)丰富的O空位的存在能够在本质上增强缺陷并有效提升催化活性;(iii)阳离子掺杂和氧空位的协同作用可以有效降低速率决定步骤(RDS)的能垒和OER反应中间体的活化能;(iv)调控的FeOOH与Ti3C2Tx MXene之间强的协同效应可以提高FeOOH整体的电子传导与结构稳定性。

图2 (a)不同电催化剂在1.0 M KOH溶液中的OER极化曲线,(b)相对应的Tafel曲线,(c)不同电催化剂的Cdl值,(d)3%Rh-FeOOH@Ti3C2Tx MXene在3000圈CV循环测试后LSV曲线,(e)3%Rh-FeOOH@Ti3C2Tx MXene在10 mA cm-2时的计时电位曲线,(f)3%Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene在3000圈CV循环测试后LSV曲线,(g)3%Ru-FeOOH@Ti3C2Tx MXene在10 mA cm-2时的计时电位曲线,(h-i)不同电催化剂的Ea

文章信息:

Ru/Rh Cation Doping and Oxygen-Vacancy Engineering of FeOOH Nanoarrays@Ti3C2Tx MXene Heterojunction for Highly Efcient and Stable Electrocatalytic Oxygen Evolution

Bing Zhang, Jiongwei Shan, Xinying Wang, Yanjie Hu, Yunyong Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.202200173

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202200173